采空区顶板动态补给水预疏放设计

冯鹏峥

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 沁水 048200）

随着矿井开采深度不断增加，矿井水文地质条件越来越复杂，带压开采煤层和受水害影响的缓采区、禁采区进一步扩大，直接影响矿井可采储量和产量效益[1]。南凹寺煤矿位于沁水煤田的南部，目前主3 号煤，属于华北地区石炭二叠系煤田，井田范围内主要赋存有奥陶纪、寒武纪石灰岩含水层，在工作面采掘活动作业时，受到顶底板承压含水层的威胁，如何采取有效防治水措施，加强对承压含水层的注浆改造加固，具有重要安全指导意义。

1 水文地质概况

南凹寺煤矿井田内主采3 号煤层，属山西组下部，其地层由石炭二叠系上统上石盒子组和二叠系下统下石盒子组以及第四系组成，煤层厚度在5.8～6.9 m，平均厚度6.25 m，赋存较稳定。井田范围内无较大的地表河流，只有一条沿SN 方向的季节性溪流，雨季期间河流流量不大，且与井下裂隙无联通关系。主井井口标高为+644.17 m，风井口标高为+646.27 m，副斜井井口标高为+622.37 m，工业广场与主要井筒标高均大于历史最高洪水位。

第四系存在松散砂砾岩层的孔隙含水层，呈垂直分布发育，具有良好的透水性，经过雨季大气降水补给后能够对矿井水造成水源补给，导致含水层水量增多，水压略有变化。

二叠系发育碎屑岩层裂隙含水层主要分为二叠系上、下石盒子组和山西组，以含砂岩为主，与下部泥页岩之间不存在水力补给联系，具有一定的隔水性，但存在富水区域，分布不均匀。

石炭统太原组砂岩、灰岩间岩溶裂隙含水层主要为碎屑岩成分，伴有碳酸盐岩岩溶水，在井田范围内埋藏较深，未见明显出露，是矿井3 号煤层充水主要来源。

深部奥陶系石灰岩含水层是矿井主要承压水体，以岩溶水为主。为长期观测主要含水层的水位、水压等动态信息，井田内打设有水文观察孔。通过抽水试验分析，观察井单位水量q=1.43 L/s·m，水位标高+485.19 m，渗透系数K=0.264 9 m/d，富水性较强，主要水质阴离子含有SO4·HCO3，阳离子含有Ca·Mg，井田范围内径流方向为自北向南发育。

2 30405 工作面顶板裂隙带模拟分析

南凹寺煤矿30405 工作面主要充水来源来自相邻工作面的采空区积水、地表渗透裂隙水、顶板裂隙水等水体，尤其是在工作面回采过后，采空区顶板垮落，形成大量的顶板裂隙，会与主要含水体产生导水通道，从而致使采煤工作面涌水量增大，影响正常生产。根据30405 工作面实际煤厚与顶底板岩性特征进行分析计算，利用FLAC3D进行数值模拟，建立工作面顶板上三带的裂隙发育情况及成因机理分析[2]。将煤岩地层模型预设尺寸比例为长×宽×高分别是400 m×250 m×400 m，根据工作面实际煤层厚度和采高按照5.3 m 计算，平均埋藏深度400 m，假设采空区采取充填材料进行填充管理，从而模拟冒落矸石高度。

南凹寺30405 工作面设定切眼宽度为220 m，共向前回采推进350 m，每回采5 m 作为一个小循环进行数值模拟计算。30405 工作面采空区塑性范围变化渐变如图1。

图1 30405 工作面采空区塑性范围变化渐变图

随着工作面向前回采，采空区顶板岩层随回采距离越远，采空区面积越大，岩层出现下沉和垮落的塑性变形范围也增大，垮落带高度也增大。如图1（a）所示，工作面回采24 m 时，顶板破坏范围约7 m；当回采到56 m 时，如图1（b）所示，顶板岩层塑性破坏范围已影响到28 m；如图1（c）所示，当回采范围继续扩大到80 m，顶板塑性变化范围达到66 m。

3 30405 工作面采空区积水动压平衡分析

工作面在回采期间和回采之后，采空区内留下巨大空间可储存涌水，其中主要水源可由静态水和动态水进行充填补给，而且储水条件是由采空区内底板坡度和隔水性决定。在相对封闭空间内，采空区除原有采动过程中积存的涌水无法排出外，还会因为顶板垮落产生裂隙，导通含水层，从而引发新的水源向采空区补给，形成动态水源补给。当采空区无新增排水通道的条件下，会造成积水面积不断扩大，直到充斥满整个采空区，形成一定的反向水压对补给水源水压形成阻挡状态后，趋于水压平衡，则不再进行充填补给[3]。30405 工作面采空区积水动压平衡演示图如图2。

图2 30405 工作面采空区积水动压平衡演示图

4 采空区积水涌水量估算

4.1 静态水量计算

在工作面煤层回采前，将顶板含水层和裂隙含水体视为完整的静态水体，当回采后采空区形成顶板裂隙与含水体产生水力联系通道后，打破原有的水力平衡，使得静态水在重力的作用下进行释放，形成流动的活水状态，源源不断充填涌入采空区，其弹性能得到释放[4]。根据公式（1）计算可得静态释水量：

根据公式（2）计算可得动态释水量：

式中：Qz为动态释水量，m³；μ为含水层动态补给系数，μ=0.05；M为含水层厚度，m；F为采空区面积，m2。

根据南凹寺煤矿3 号煤层顶板隔水层岩性和岩层厚度等资料，主要充水层为砂岩含水层，按照30405 工作面切眼长度220 m，回采范围1100 m，△H为砂岩含水层降深水位70 m，下部砂岩裂隙含水层水位降深为150 m。经过公式计算，上覆两层含水层的静态水量约为0.8 万m³、1.46 万m³，形成动态补给水之后水量分别为35.2 万m³、46.7 万m³，合计水量为84.3 万m³。

4.2 动态补给量

根据前期数据建模分析，当工作面回采范围达到350 m 范围时，顶板含水体由于裂隙带发育高度和涌水量动压达到平衡等多方面因素影响，此时顶板岩石破坏塑性趋于稳定，水压达到新的平衡，因此，根据回采期间顶板裂隙充水量的计算公式如下：

式中：Q为采空区涌水量，m³/d；K为顶板岩层渗透系数，山西组砂岩为0.063 m/d，下石盒子组为0.142 m/d；M为含水层厚度，m；H为水头高度，m；R为水量补给影响半径，m。经过计算可得30405 工作面采空区顶板涌水量为387 m³/h。

4.3 采空区涌水量综合分析

经过对30405 工作面采空区顶板静压、动压水对空间补给量的计算可得预计涌水量可达387 m³/h。此外，考虑到工作面整体设计布局，周边无合理巷道进行疏放水钻孔的施工，对采空区积水不能有效进行疏导排放，且采空区底板具有较好的隔水性，不会产生积水的外流渗漏影响，因此，综合考虑多种因素进行分析，30405 工作面采空区回采期间的最大涌水量应达到790 m³/h。30405 工作面回采期间涌水量预测图如图3。

图3 30405 工作面回采期间涌水量预测图

5 工作面回采期间防排水规划与建议

鉴于以上涌水量预测，工作面回采期间采空区顶板涌水量最大可达790 m³/h，正常补给水量为387 m³/h，且顶板含水层预测储水量为84.3 万m³，正常情况下，随着工作面回采排完所有储水量预算需要2 178.3 h，约为90.7 d，其中不包含有新增水源补给的条件。因此，为缓解工作面采空区后期积水压力过大，对回采造成影响，可根据数值模拟预测图显示规律，提前采取预防措施。在工作面回采期间，通过两巷向顶板提前施工钻孔，按照回采范围对应的预测裂隙带导水深度进行施钻，设计终孔层位在裂隙带影响最大深度处，钻孔呈相对均匀的扇形布置，可实现随工作面回采，同时对顶板含水层和含水体进行预疏放，在不影响回采进度的条件下，尽量缩短放水周期和时间，从而实现平行作业的效果。为确保放水期间的两巷文明卫生与巷修安全，在两巷放水地点施工钻场水仓，并在外段巷道低洼处的“V”型巷道施工水仓，安装满足不小于600 m³/h 排水能力的电泵和电泵组（按照正常涌水量的1.4 倍设计），确保巷道的安全回采。两巷顶板疏放钻孔布置示意图如图4，放水量与推进度波动关系示意图如图5。

图4 两巷顶板疏放钻孔布置示意图

图5 放水量与推进度波动关系示意图

6 结语

通过对30405 工作面采空区涌水量的不同充水条件和充水量进行预测分析，建立数值模拟的分析模型，找到涌水量与回采推进度的内在联系与相关规律，采取两巷提前施工放水钻孔的方式，有效控制疏放顶板静态积水，减少对采空区的积水量补给，对确保工作面的安全回采，消除回采期间的水患威胁，具有深远的实用价值意义。